Обзор приборной базы по контролю парниковых газов

К лиматическая повестка является одной из мировых задач ведущих экологических организаций.

Климатический пакт заключен в 1995 г. в г. Киото, где было принято решение о необходимости снижения выбросов парниковых газов, в том числе CO2, промышленными источниками, а также был установлен норматив по объемам их выбросов [1].

Одним из следующих климатических соглашений в рамках деятельности ООН является акт, подпи- санный в 2015 году в г. Париже. Согласно данному документу, страны, подписавшие его, накладывают на себя обязательства по принятию мер по снижению концентрации CO2 в атмосферном воздухе региона. Также в рамках Парижского соглашения была установлена цель стран-участников по разработке мероприятий регионального масштаба по недопущению превышения глобальной температуры атмосферного воздуха к 2100 году более, чем не 1,5оС [2].

Климатический пакт по климату 2021 г. в г. Глазго поставил целью для участников конференции сни-

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ зить выброс углерода в атмосферу до самого низкого показателя. Участники конференции приняли на себя обязательство отказаться от применения угля, который не может быть использован в технологии улавливания углекислого газа, во всех отраслях промышленности. Кроме того, ряд стран, в том числе США, подписали соглашение о снижении выбросов CH4 на 30% к концу 2100 года. Согласно отчету ООН по проблемам климата, на 2021 год температура воздуха по сравнению с началом века выросла на 1,1оС (рис. 1) [3].

Таким образом, мировая климатическая повестка призвана решить проблему глобального потепления на 1,5оС к 2100 году. Оперативность приятия мер по снижению концентрации парниковых газов, задерживающих солнечную радиацию в атмосфере, является научно обоснованной. Во-первых, предпринятые мировыми организациями меры по ежегодному снижению уровня выброса климатически активных газов, привели к снижению роста их концентрации. Это обусловлено отдаленным влиянием выбросов раннего индустриального периода. Во-вторых, увеличение температуры земной поверхности ведет к колоссальным изменениям в экосистемах. Так, согласно межправительственной группе экспертов по изменению климата (МГЭИК), к 2100 г. уровень мирового океана повысится на 0,2 м. Вследствие повышения температуры воздуха продолжаются процессы, способствующие уменьшению количества льдов в Мировом океане. С каждым годом повышается вероятность возникновения экстремальных погодных явлений. Например, в 2021 году самым сильным являлся ураган Ида, которому присвоена четвертая категория опасности. С 1980 г. на территории Атлантического океана произошло 13 ураганов пятой категории опасности (средняя скорость ветра составляет 270 км/ч) [2].

В соответствии с конвенциями ООН, самым распространенным и долгоживущим парниковым газом является диоксид углерода (CO2). Его концентрация в атмосферном воздухе является наибольшей среди других парниковых газов. Согласно данным Всемирной метеорологической организации, в 2019 году его концентрация достигла 410 ppm и составила 148% от доиндустриального периода (1850–1900 гг.). Кроме того, за последние 25 лет концентрация CO2 выросла на 20%.

Следующим по распространенности парниковым газом в атмосферном воздухе является метан. Время жизни газа в воздухе составляет менее 10 лет. По состоянию на 2019 г. его концентрация в воздухе составила 1877 ppb. Согласно данным Всемирной метеорологической организации, концентрация метана возросла на 260 % по сравнению с доинду-стриальным периодом (1850–1900 гг.). За последние 25 лет фоновая концентрация метана в атмосферном воздухе возросла на 16 % [3].

Мировые климатические организации отмечают наименьший прирост в атмосферном воздухе закиси азота (N2O). Так, за последние 25 лет его содержание выросло на 9 %. По данным на 2019 г., концентрация газа в воздухе составила 332 ppb, что на 123% выше по сравнению с 1850–1900 гг. Несмотря на низкую концентрацию в атмосфере по сравнению с углекислым газом, закись азота в большей степени оказывает влияние на образование парникового эффекта.

Рис. 1. Разница температур с 1850 по 2020 год, по данным Всемирной метеорологической организации

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

Кроме того, время жизни молекулы газа в воздухе составляет около 150 лет [3].

Климатическая проблема ставит перед обществом научные задачи, связанные с особенностью поведения климатически активных газов, в том числе CO2, в атмосферном воздухе, а также изучением возможных способов снижения концентрации парниковых газов. Инструментом определения концентрации веществ и решения экологических задач являются системы автоматизированного контроля содержания веществ в воздухе. На сегодняшний день приборы контроля загрязняющих веществ устанавливаются в техногенно нагруженных городах [1–2]. Однако станции контроля химического состава воздуха городов, имеющие газоанализаторы углекислого газа, метана, закиси азота, не имеют широкого распространения. Таким образом, разработка системы автоматизированного контроля парниковых газов является одной из основных задач научных исследований в рамках проектов декарбонизации.

Решение научной задачи изучения и анализа поведения климатически активных газов в атмосферном воздухе основано на влиянии различных факторов на их моментное содержание. Основными причинами, влияющими на изменение концентрации газов в воздухе, являются метеорологические условия, такие как, температура и влажность воздуха, направление и скорость ветра. Кроме того, вследствие депонирования диоксида углерода растениями, в том числе деревьями, концентрация газа зависит от вертикальных потоков воздуха. Таким образом, система контроля содержания парниковых газов, реализуемая с целью решения научных задач, представляет собой комплекс приборов, включающих датчики метеорологических параметров, газоанализаторы высокой точности на основе нанотехнологий, анемометры, а также иное сопутствующее оборудование. Следует заметить, что диапазон изменения концентрации климатически активных газов мал и исчисляется в ppm (partspermillion – «частей на миллион»). Таким образом, приборы контроля концентрации газов должны иметь высокую точность в требуемом диапазоне измерения.

В настоящее время перспективным направлением промышленности является применение парниковых газов, а именно CO2 в качестве сырья для производства наноматериалов, применяемых в различных отраслях экономики, в том числе и в строительстве.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

В качестве методов исследования в данной работе использованы основы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). АСУТП основано на подключении и согласовании приборов контроля парниковых газов и управляющих устройств (хранения, обработки, выполнения операций).

Выбор приборов контроля основан на бенчмаркинге и SWOT-анализе мировых производителей прецизионных средств измерений парниковых газов. Методология SWOT-анализа основана на исследовании сильных, слабых сторон газоанализаторов климатически активных газов; изучении возможностей и угроз компаний-производителей. Технология бенчмаркинга позволяет оценить достижения компаний-конкурентов с целью внедрения успешных практик в собственном производстве.

Исходными данными послужили официальные источники и отчетности деятельности фирм LI-COR, Picarro, Gasera.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Разработана схема организационной структуры решения научной проблемы (рис. 2). Из схемы наглядно видно, что успех работы научного коллектива закладывается на начальном этапе разработки системы контроля.

На современном рынке приборы контроля климатически активных газов представлены тремя фирмами: LI-COR, Picarro и Gasera. Все они являются мировыми лидерами по выпуску и продажам приборов контроля газов в атмосферном воздухе на основе нанотехнологий.

В результате можно сказать, что от результата работы коллективов рассматриваемых компаний зависит точность измерений концентраций парниковых газов во всем мире, так как они производят продукцию, позволяющую измерить, вычислить и предотвратить угрозу, связанную с изменением мировых показателей текущей климатической ситуации.

Затрагивая тему нанотехнологий, на сегодняшний день наноматериалы и нанотехнологии находят применение практически во всех областях народного хозяйства и окружающей среды в целом. Применение нанопрепаратов в качестве микроудобрений для научных задач растениеводства обусловлено повышением устойчивости культур к неблагоприятным погодным условиям и увеличению урожайности (в среднем в 1,5–2 раза). В качестве объектов исследования используется большинство продовольственных (картофель, зерновые, овощные и плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур.

Полученные результаты исследования являются основой для создания приборов измерения параметров почвенного покрова и других компонентов окружающей среды [4] в компаниях LI-COR, Gasera. Датчики позволяют измерять параметры окружаю-

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

Газоанализатор CO2Газоанализатор CH4

Система хранения информации

Научный коллектив

Газоанализатор N2O

АнемометрМетеостанция

Рис. 2.Схема организационной структуры решения научной задачи щей среды для получения данных о ее текущем состоянии.

Разработаны технологии по применению и использованию углекислого газа в качестве сырья для производства цемента. В 2008 г. в штате Калифорния (США) компанией Calera разработана технология улавливания и переработки CO2 в целевой продукт. А именно получены бетон, цемент, используемые в технологиях строительства. Аналогичные разработки получены в Carbon Cure Technologies, America’s Carbon Sciences.

Японские ученые разработали способ переработки CO2 в наноорганические каркасы, используемые в различных областях экономики. Основой методологии является улавливание диоксида углерода из атмосферного воздуха и отходов производства бетона. Базовым компонентом разработанной методологии производства наноматериалов для строительных компаний является регистрация CO2 в воздухе. Таким образом, выбор приборов контроля качества является важным этапом процесса переработки атмосферного газа.

LI-COR . Головной офис компании LI-COR находится в штате Северная Каролина, США, имея очень большое влияние на материке Северная Америка. Тип компании – частная, т.к. основатель компании сам, используя личные усилия и средства, развил ее до всемирно известной компании. Срок деятельности компании – 50 лет, и за этот период она расширила зону своих потребителей до больших масштабов, поэтому ежегодный доход компании достигает € 14 млн. Продукция, которую выпускает данная компания, представлена приборами, измерительными системами и программным обеспечением для биологических исследований. Они используются в таких областях, как агрономия, экология, физиология растений, исследование углеродного цикла изменения климата. Оценка в рейтинге Expertology: данная компания получила рейтинг 9,2, что является одной из самых высших оценок в рейтинге компаний по производству продукции данного типа.

Компания производит портативные системы анализа процессов, такие как: LI-6800, LI-600, LI-7000,

LI-7200, LI-7500, LI-7550, LI-7700, LI-7810, LI-8100, тепловизор Pearl. Они представляют собой компактные, высокоточные высокопроизводительные анализаторы, которые могут применяться в самых неблагоприятных погодных условиях, включая дождь, снег и туман. Эти приборы характеризуются малым энергопотреблением, благодаря чему могут применятся в полевых условиях без доступа к стационарным электросетям переменного тока (питание может осуществляться от солнечной батареи).

Газоанализаторы LI-COR, аналогично прецизионным приборам контроля других компаний, имеют высокую точность измерения и могут быть использованы при неблагоприятных погодных условиях.

Отличительной особенностью приборов LI-COR является использование технологии инфракрасной спектроскопии, что позволяет проводить измерения плотности с помощью инфракрасных лучей.

Данные приборы в настоящее время используются практически во всех странах материка Евразия, а также в Северной и Южной Америке и в исследовательских лабораториях JCS SERVICES, Ormic, Polution S.r.l., Armgate SIA, Armgate UAB, The Dutch Scientist, ISO science, Apel, MIT, KNJ, Amiston, Massanalys Spectrometry Nordic AB.

Сильные стороны данной компании в том, что она была основана задолго до Picarro и Gasera. LI-COR за время своего существования зарекомендовала себя как компания с надежной, высококачественной измерительной продукцией, что дает ей преимущество среди других, не таких широко известных конкурентов, которые были основаны немного позже. Также компания ежегодно выпускает большое количество единиц продукции, за счет чего компания чувствует себя уверенно в конкурентной борьбе на рынке, так как она имеет обширный круг потребителей.

Слабой стороной данной компании является то, что она в настоящее время перестала выпускать продукцию нового поколения, что позволяет новым молодым компаниям получить конкурентное преимущество благодаря наличию инновационных продуктов.

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

Компания имеет возможность повышения квалификации и увеличения преимуществ для сотрудников, тем самым улучшая их работоспособность и стремление работать на все 100%. Компания предлагает льготы, направленные на поддержание здоровья и хорошего самочувствия, включая медицинское страхование, стоматологическое страхование и страхование зрения, чтобы упростить жизнь работников и обеспечить их уверенность в своем будущем. Это также касается повышения квалификации, должности в зависимости от объема и качества работы сотрудника, которое не зависит от времени, проведенного в компании.

Так как компания занимает одно из первых мест в рейтинге компаний по производству данной продукции, то угрозой является то, что у целого ряда конкурентов есть стремление обойти ее и получить более высокие позиции в рейтинге.

Picarro. Головной офис компании находится в Калифорнии, США. Тип компании – частный, основателем ее является ученый исследователь.

Компания производит газоанализаторы таких моделей, как: G2103, G2106, G2108, G2114, G2121, G2121-i – для точного измерения в реальном времени паров этилена, воды и других веществ с чувствительностью до миллиардных долей с незначительным дрейфом для приложений сельского хозяйства и почвоведения, что является отличительной особенностью приборов контроля компании Picarro от датчиков других компаний.

Газоанализаторы Picarro в настоящее время используются в таких странах, как: США, Англия, Франция, Польша, Италия, в исследовательских лабораториях Sumasi, ISO science, Bizaio, Alpha Chrom, HILGER, SISTEC.

За 23 года существования компания успела охватить западное и восточное полушария, а география потребителей охватывает весь земной шар, при этом доход компании составляет € 6,5 млн, что является очень достойным на фоне других аналогичных компаний. Данная компания производит анализаторы концентрации газов, в объеме до 35 млн единиц в год, которые применяют в таких областях, как экология, физиология растений, измерения выбросов газов в воздухе, обнаружение утечек для производственных предприятий. Рейтинг этой компании – 8,5, этот показатель является весьма достойным и оправданным.

Сильной стороной компании является то, что она относительно молодая и хорошо зарекомендовавшая себя за достаточно непродолжительный период своего существования. Picarro выпускает анализаторы изотопного состава воды и N2O, системы изотопного состава 13С, что является особенностью среди других ее конкурентов в данной сфере.

Слабая сторона компании состоит в том, что она выпускает довольно небольшой ассортимент продукции, что ощутимо сказывается на рынке продаж, в сравнении с компаниями, имеющими более широкий ассортимент выпускаемой продукции.

Возможности этой компании заключаются в том, что она находится непосредственно в Калифорнии, штате США, неподалеку от центра всех продаж остальных рейтинговых востребованных компаний. Это дает ей возможность экономии времени на поставку своей продукции потребителям. Также Picarro имеет возможность повышения квалификации сотрудников для позиций, связанных с инженерией. Освоение работниками новых компетенций позволит повысить скорость интенсивного и финансового развития компании. Также для своих сотрудников они предоставляют возможность для раннего выхода на пенсию за счет пособий данной компании.

Угрозы в том, что компания выпускает небольшой ассортимент продукции. Это сказывается на рынке продаж вследствие небольшого выбора приборов измерения. Таким образом, на данный момент конкурирование с более высокими и развитыми компаниями данного типа производства невозможно.

Gasera. Головной офис компании находится в г. Турку, Финляндия. Тип компании – общество с ограниченной ответственностью, что отличает ее от других аналогичных компаний, т.к. основателем ее является группа людей.

Компания производит газоанализаторы таких моделей: GaseraONE HF, GaseraONE GHG, GaseraONE PULSE, GaseraONE SHED, Gasera-ONE FORMALDEHYDE, GaseraOEM MODULE, Multipoint Sampler, GaseraONE. Они являются фотоакустическими газоанализаторами, которые обеспечивают чувствительность на уровне миллиардных долей для надежного измерения фоновых уровней парниковых газов, контроля концентрации фтористого водорода, измерения фоновых уровней формальдегида в различных компонентах окружающей среды.

Отличие приборов контроля Gasera от других компаний в том, что принцип их действия основан на фотоакустической технологии с использованием настраиваемого лазерного излучения.

В основном данные приборы используются в странах северной Европы, таких как Исландия, Дания, Швеция, Норвегия, Финляндия, Латвия, Литва, в странах западной и восточной Азии, в следующих исследовательских лабораториях: Nofima, Bruker, Woods Hole Oceanographic, Fraunhofer, Leeden NOX.

Gasera является самой молодой компанией по сравнению с двумя другими, описанными выше. В связи с этим, потребителями ее продукции являют-

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ ся в основном компании из Европы, западной и восточной Азии и Северной Америки. Но при этом, за 17 лет существования компания подняла свой доход до € 2,5 млн, что является довольно значимой суммой для молодой компании. Продукция, которую поставляет Gasera, – это портативные измерительные устройства и газоанализаторы. Объем продаж средств измерения составляет 10 млн единиц в год.

Область применения продукции компании была отмечена в таких видах исследований, как экология, геология, фотоакустистика, при анализе газов, жидкостей и твердых материалов, а также в промышленном исследовании. Рейтинг компании составляет 8,1, что является достойной оценкой за короткий период существования компании, на фоне с более «старыми» компаниями.

Сильная сторона компании в том, что она является компанией нового поколения, которая была основана несколько лет назад и при этом хорошо себя зарекомендовала на рынке, так как качество производимой ею продукции стоит на одном уровне с другими более высокорейтинговыми компаниями.

Слабая сторона компании состоит в том, что она была основана 17 лет назад, и пик востребованности компании начался только с 2018 года. Gasera на рынке является малоизвестной вследствие небольшого объема выпускаемой продукции. Таким образом, охват компанией мировых рынков, по сравнению с другими компаниями, производящими продукцию данного типа, пока незначителен. Однако, несмотря на ограниченность количества потребителей,

Таблица

Сравнительный анализ деятельности компаний по производству приборов контроля парниковых газов

Показатели	LICOR	Picarro	Gasera
1. Головной офис	Линкольн, штат Северная Каролина, США	Калифорния, США	Турку, Финляндия
2. Тип компании	Частная	Частная	Общество с ограниченной ответственностью
3. Средний доход	€ 14 млн	€ 6,5 млн	€ 2,5 млн
4. Охват	Западное и восточное полушарие	Западное и восточное полушарие	Западное и восточное полушарие
5. Срок деятельности	50 лет	23 года	17 лет
6. География потребителей	Весь земной шар	Весь земной шар	Европа, западная и восточная Азия, Северная Америка
7.Продукция	Инструменты, измерительные системы и ПО для биологических исследований	Анализаторы концентрации газа	Портативные измерительные устройства, газоанализаторы
8. Объем работы	До 80 млн единиц оборудования в год	До 35 млн. единиц оборудования в год	До 10 млн. единиц оборудования в год
9. Область применения	Агрономия, экология, физиология растений, исследование углеродного цикла и изменение климата	Экология, физиология растений, измерение выбросов газов воздухе, обнаружение утечек для ком. предприятий	Экология, геология, фотоакустистика, анализ газов, жидкостей и твердых материалов, промышленное исследование
10. Рейтинг	9,2	8,5	8,1
11. Контроль качества	100%	100%	100%
12. Промышленность	Исследование, дизайн, производство	Исследование, промышленные продукции	Производство инструментов и приборов для измерения, тестирования и навигации
13. Влияние	Весь земной шар	Весь земной шар	Весь земной шар
14. Пик востребованности	С 2010 года и по настоящее время	С 2015 года и по настоящее время	С 2018 года и по настоящее время
15. Год основания	1971 год	1997 год	2004 год

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ приборы компании имеют положительные отзывы и рекомендации.

Вследствие того, что компания находится в восточном полушарии земного шара, она имеет возможность по сравнению с другими создать для себя большой охват потребителей в этом регионе. Компания географически располагается в очень благоприятной стране для условий проживания, что дает возможность нанимать для себя высококвалифицированных специалистов.

Из-за того, что Gasera малоизвестна на мировом рынке, сильные компании, которые были основаны уже десятки лет назад и хорошо себя зарекомендовали, имеют возможность вытеснять и влиять на ее объем реализации. Это является основной угрозой для данной компании.

Проведен бенчмаркинг лучших практик мира по представлению газоанализаторов на рынках. Результаты анализа представлены в табл.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

LI-COR, Picarro, Gasera являются мировыми лидерами по производству и реализации прецизионных средств измерения. Однако LI-COR и Picarro – компании, которые были основаны раньше, чем Gasera, смогли за все время жизни на мировом рынке зарекомендовать себя как надежные производители. Они являются наиболее успешными и востребованными. В случае, если научный потенциал каждой из рассматриваемых компаний в ближайшем будущем не будет обновляться на основе инновационных разработок, то потенциальные потребители перейдут на компании, выпускающие продукцию, соответствующую поставленным обществом задачам.

Сравнительный анализ крупных компаний по производству высокоточных приборов контроля показал, что несмотря на различия в ассортименте, принципе действия выпускаемого оборудования, географическом охвате, возрасте, все они являются востребованными на рынке производителями. Таким образом, продукция, которую выпускают LI-COR, Picarro, Gasera, воспроизводит параметры измерения, требуемые для решения научных задач разработки наноматериалов на основе улавливания атмосферного диоксида углерода, развития приборной базы карбоновых полигонов нового поколения.